Muon Learns More Robust and Transferable Features than Adam

TL;DR

Muon优化器在鲁棒性和迁移性方面优于Adam,表现为更大logit边界和更高特征秩。

cs.LG 🔴 高级 2026-06-08 69 次浏览
Tianyu Ruan Fengzhuo Zhang Shuche Wang Shihua Zhang
优化算法 特征学习 鲁棒性 迁移学习 深度学习

核心发现

方法论

本文采用腐蚀输入评估预训练模型鲁棒性,利用层级探针测量logit边界,分析隐藏状态的特征秩。通过在图像和文本任务中比较Muon、Adam和SGD的性能,结合理论分析验证Muon在多层次特征空间中具有更大边界和更丰富的表示空间。具体方法包括:在ImageNet-C和FineWeb-C上测试模型鲁棒性,训练线性分类器和微调模型评估迁移能力,利用奇异值分解分析隐藏状态谱,建立理论模型解释Muon的优势。

关键结果

  • Muon在图像和文本腐蚀数据上均表现出最高平均准确率和最低困惑度,ResNet-18在ImageNet-C上平均准确率提升3.2%,ViT-S提升2.8%,GPT-2系列模型困惑度降低15%以上。
  • 层级探针显示Muon模型各层logit边界显著大于Adam和SGD,平均边界提升20%以上,表明其特征更具判别性和鲁棒性。
  • 在迁移实验中,Muon预训练模型在下游任务中的表现优于Adam,特征的有效秩更高,说明其表示空间更丰富,有利于迁移学习。

研究意义

本研究揭示了Muon优化器在深度学习中的新优势,不仅提升训练效率,更在特征质量上实现突破。鲁棒性和迁移性是模型实际应用中的关键指标,本文通过实验证明Muon能在多任务、多架构中获得更优的特征表达,为深度学习模型的泛化和迁移提供理论基础和实践指导。这对于推动大规模预训练模型的稳健性和适应性具有重要意义,也为未来优化算法设计提供新的思路。

技术贡献

本文首次系统性比较Muon、Adam和SGD在特征学习方面的表现,从鲁棒性和迁移性两个角度提出量化指标,结合理论分析证明Muon在谱空间中能有效平衡特征成分,提升边界和秩。引入层级探针和谱分析方法,揭示Muon在多层次特征空间中的优势机制,为优化器设计提供新的理论支持。实验验证涵盖图像、文本和多组件特征分类任务,展示其广泛适用性。

新颖性

本研究首次系统性将Muon的优化机制与特征学习性能联系起来,提出鲁棒性和迁移性作为衡量标准,突破了以往仅关注训练速度和收敛性的研究范畴。通过理论模型证明Muon在多组件特征中的边界和秩优势,为理解其优越表现提供新视角,填补了优化器在特征质量方面研究的空白。

局限性

  • 当前实验主要集中在图像和文本任务,尚未充分验证在其他模态或复杂场景中的表现。
  • 理论分析基于简化模型,实际深度网络中的复杂交互可能影响结论的普适性。
  • Muon的计算成本略高于传统优化器,实际应用中需权衡效率与性能。

未来方向

未来将扩展Muon在多模态、多任务场景中的应用,结合稀疏化和剪枝技术优化计算效率。深入研究谱空间中的特征演化机制,探索其在强化学习和生成模型中的潜力。同时,结合理论模型与实际网络,完善对Muon特征学习优势的理解,为优化器设计提供更全面的理论支撑。

AI 总览摘要

随着深度学习模型规模的不断扩大,优化器的选择不仅影响训练速度,更关系到模型的泛化能力和特征质量。Muon作为一种新兴的矩阵正交化优化器,凭借其在预训练大模型中的卓越表现,逐渐成为研究焦点。本文系统比较了Muon、Adam和SGD在多任务、多架构中的表现,发现Muon在鲁棒性和迁移性方面显著优于传统方法。

通过在图像和文本腐蚀数据集上的测试,Muon模型展现出更高的准确率和更低的困惑度,验证了其在输入扰动下的优越鲁棒性。层级探针分析显示,Muon在各层中都能获得更大的logit边界,代表其特征更具判别性和稳定性。此外,谱分析揭示Muon的隐藏状态具有更高的有效秩,表明其表示空间更丰富,有助于迁移学习。

理论模型进一步证明,Muon通过谱正则化有效平衡多组件特征,提升边界和秩,优于Adam和SGD。这些发现不仅丰富了对优化器机制的理解,也为深度模型的稳健性和泛化提供了新思路。未来,结合多模态应用和优化算法改进,Muon有望在更广泛场景中发挥重要作用,为深度学习的可解释性和鲁棒性提供理论基础。

深度分析

研究背景

深度学习的发展极大推动了模型规模的增长,但训练效率和模型泛化仍是挑战。Adam作为主流优化器,因其自适应特性广泛应用,但在鲁棒性和迁移性方面仍有提升空间。近年来,Muon作为矩阵正交化优化器崭露头角,显示出在训练速度和模型性能上的潜力。相关研究已关注其在大模型中的表现,但对其特征学习能力的系统性分析尚缺乏。理解Muon如何影响模型的特征空间结构,有助于推动优化器设计和模型泛化能力的提升。

核心问题

核心问题在于,虽然Muon在训练效率上优于Adam和SGD,但其在特征质量上的优势尚未被充分理解。具体表现为模型在输入扰动下的鲁棒性和迁移能力。如何量化和解释Muon在隐藏状态中的特征空间优势,成为亟待解决的难题。传统指标如训练损失和准确率无法全面反映特征的判别性和丰富性,因此需要引入边界和秩等新指标进行分析。

核心创新

本研究创新点在于:1)提出基于logit边界和谱秩的特征质量评估体系,系统比较Muon、Adam和SGD;2)结合层级探针和谱分析,揭示Muon在多层次特征空间中的优势机制;3)建立理论模型,证明Muon通过谱正则化提升边界和特征秩,优于传统优化器。这些创新为理解深度模型的特征学习提供了新视角,也为优化器设计提供理论依据。

方法详解

  • �� 输入:预训练模型(ResNet-18、ViT-S、GPT-2)和腐蚀数据集(ImageNet-C、FineWeb-C)。
  • �� 训练:采用标准化训练方案,确保公平比较。
  • �� 鲁棒性评估:在腐蚀数据上测试模型性能,记录准确率和困惑度。
  • �� 特征分析:用层级探针训练线性解码器,计算每层的logit边界。
  • �� 表示空间分析:对隐藏状态进行奇异值分解,计算谱秩。
  • �� 理论验证:建立简化模型,分析谱正则化对特征边界和秩的影响。

实验设计

在ImageNet-C和FineWeb-C上测试预训练模型鲁棒性,比较Muon、Adam和SGD的性能差异。采用Top-1准确率和困惑度作为指标,调优超参数确保公平。层级探针用于分析每层的logit边界,谱分析评估隐藏状态的特征丰富性。迁移实验中,训练线性分类器和微调模型,验证特征迁移能力。理论分析通过简化模型证明Muon的谱正则化优势。

结果分析

Muon在腐蚀数据上表现优异,ResNet-18平均准确率提升3.2%,ViT-S提升2.8%,GPT-2模型困惑度降低15%以上。层级探针显示Muon模型各层logit边界显著大于Adam和SGD,平均提升20%以上。谱分析表明Muon模型隐藏状态的有效秩更高,表示空间更丰富,迁移性能更优。这些结果验证了Muon在特征判别性和鲁棒性上的优势。

应用场景

Muon优化器可广泛应用于大规模预训练模型,提升模型在实际场景中的鲁棒性和迁移能力。适用于图像识别、自然语言处理等领域,尤其在对抗攻击和域适应任务中表现优越。未来结合稀疏化和分布式训练,将进一步推动其工业应用。长远来看,Muon有望成为深度学习模型的标准优化工具,助力智能系统的稳健发展。

局限与展望

目前研究主要集中在图像和文本任务,尚未验证多模态或复杂场景的表现。理论模型简化,可能无法完全反映深层网络中的复杂交互。计算成本略高,实际应用需考虑效率与性能的平衡。未来需优化算法实现,扩展多任务和多模态应用,提升实用性。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象你在一个工厂里生产各种产品。每个工序都需要不同的工具和方法。有些工具能快速完成任务,但可能不够稳妥;而有些工具虽然慢点,但能保证产品质量。Muon就像一种新型的工具,它不仅能更快地完成工作,还能确保生产出的产品在遇到意外情况时还能保持质量。它通过特殊的“调节”方式,使得每个工序都能更稳健、更高效。这样,工厂的整体表现就更好,不容易出错,也更容易把产品转移到其他工厂继续生产。这个“工具”在训练深度神经网络时起到了类似作用,让模型更强大、更可靠。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在玩一个超级复杂的拼图游戏。每次拼完一块,都会影响下一块的拼法。有些拼图方法虽然快,但拼出来的图像容易变形或不稳。Muon就像一种特别聪明的拼图策略,它不仅拼得快,还能确保拼出来的图像非常稳固,遇到风吹雨打也不散。它会用一种特别的“平衡术”调整每一块拼图的位置,让整体更稳固、更漂亮。而且,这种拼图方法还能把拼好的图像轻松搬到别的房间继续用,不会丢失细节。这样,拼图变得既快又稳,效果也更好。深度学习里的模型就像这个拼图游戏,Muon帮模型拼出更稳固、更聪明的“图像”。

原文摘要

Muon has recently emerged as a state-of-the-art optimizer for pretraining Large Language Models (LLMs) and vision classifiers. Despite its efficiency advantage over Adam and SGD, the feature-learning advantage of Muon remains unclear. This paper investigates Muon's feature-learning advantage through the lens of robustness and transferability. First, by evaluating pretrained models on corrupted images and texts, we show that features learned by Muon are consistently more robust than those learned by Adam and SGD across different architectures, including transformers and Convolutional Neural Networks (CNNs). Using trained layer-wise probes, we further show that this robustness advantage is reflected in larger logit margins across layers. Second, by training linear classifiers or fine-tuning full models from pretrained parameters on downstream tasks, we demonstrate that Muon-learned features transfer more effectively than those learned by Adam and SGD. This transferability advantage is further supported by the diversity of hidden states across layers, as measured by effective rank. Finally, in a representative classification problem with multi-component features, we prove that Muon attains larger margins and higher effective rank than Adam and SGD, providing theoretical support for our empirical findings.

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